悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响*

黄 珏，阳凡林，陈莉琼，陈晓玲，江 涛**

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉 430079；3.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东青岛 266590)

悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响*

黄 珏1,3，阳凡林1，陈莉琼2，陈晓玲2，江 涛1**

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉 430079；3.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东青岛 266590)

【目的】研究典型湖泊水体垂直分布对遥感反射率的影响，并了解其主要影响波段和影响水深。【方法】利用实测数据和前向辐射传输模型得到水体垂直分布模拟数据，选取两种典型的湖泊水体垂直分布类型，研究它们对水表面遥感反射率的影响，并分析其敏感波长和最大影响深度。【结果】与均质水体相比，不同类型的水体垂直分布最大会引起遥感反射率100%的高估或者30%的低估且误差随着水深的增大而减小。当表层悬浮颗粒物浓度(SPM1)较小时，在相同浓度条件下，不同类型水体垂直分布的敏感波长随着水深增大逐渐减小；在同一深度时，敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波方向移动；当SPM1较大时，敏感波长随水深增大没有明显变化。不同类型水体在SPM1较低时，各波段的最大影响水深各不相同，可达10 m，并随表层悬浮颗粒物浓度的增大而逐渐减小，峰值波长逐渐向长波方向移动；当SPM1较大时，最大影响水深集中于0.5～2.0 m，随波段递增无明显变化规律。随着表层水体的衰减系数的增大，最大影响水深在不同波段基本呈递减趋势。【结论】研究成果有助于准确的理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息，并为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。

水体垂直分布 遥感反射率 敏感波长 最大影响水深

0 引言

【研究意义】现有的水色遥感研究大多基于水体组分均匀分布的假设[1-2]，然而在地表径流、江水倒灌、风浪掀沙、采砂基建等因素的影响下，自然水体在水平和垂直方向上通常呈现非均匀分布。因此，准确地理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息，可以为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。【前人研究进展】Gordon等[3-5]最早展开水体垂直不均匀分布对遥感反射率的影响研究。通过水体辐射传输的Monte Carlo方法对两层和连续多层海水进行模拟发现，对透光层内水体组分浓度引入剖面权重函数可以将分层水体的漫反射比等效为带权重的均质水体的漫反射比，并提出了与固有光学特性相关的权重函数表达式。Zaneveld等[6]基于双流模型提出了修正的剖面权重函数对Gordon公式进行了改进。对于大洋水体，已有学者开始关注浮游植物主导水域次表层叶绿素最大值引起的水体垂直不均匀分布对透光层深度、水表面以上遥感反射率和叶绿素剖面权重函数的影响。研究发现，叶绿素垂直均匀分布和不均匀分布所产生的遥感反射率差异在5%～70%之间[7-9]。而内陆湖泊水体的相关研究相对较少[10]。【本研究切入点】对于湖泊而言，河流携沙入湖、江水倒灌、湖泊环流和采砂等影响是引起泥沙输移、沉积、再悬浮的主要原因，而因此产生的不同类型的悬浮颗粒物垂向分布差异对水体光学特性的影响仍有待研究。【拟解决的关键问题】依据野外采样结果，确定鄱阳湖水体悬浮颗粒物的典型垂直分布类型，利用水体光学辐射传输模型，模拟得到不同悬浮颗粒物垂直分布条件下的水体光学特性，在定量分析不同类型水体垂直分布对遥感反射率影响的基础上，分析其敏感波长、最大影响深度。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

鄱阳湖位于长江中下游的江西省境内，是我国最大的淡水湖泊(图1)。鄱阳湖季节性水面积变化显著，年内丰、枯水季湖泊面积变化10倍以上[11]；水深在1～25 m之间，平均水深为8.4 m(文献[12])。鄱阳湖的水量吞吐平衡受到五大河流及长江水资源调度的共同影响。自2001年兴起的大规模采砂运动引起了鄱阳湖底质再悬浮，导致悬浮颗粒物浓度的增大和水体透明度的降低[13]，还直接影响了鄱阳湖流域生态系统功能和可持续利用。

图1 鄱阳湖位置图

Fig.1 Location of Poyang Lake

1.2 数据测量

本研究中所用的实测数据来自2008年～2011年期间的3次鄱阳湖水色观测实验，主要的观测数据包括水面光谱数据、悬浮颗粒物浓度、黄色物质浓度、水深、水体固有光学特性(吸收系数、衰减系数等)和辅助数据，具体测量步骤参见文献[14-15]。其中水体悬浮颗粒物浓度进行了垂直分层测量：在距水表面0.5 m处和距湖底0.5 m处分别采集表层和底层水样，在水深的一半处取中层水样，并分别计算各层水体的悬浮颗粒物浓度。依据鄱阳湖实测数据，本研究选择两种典型的湖泊水体悬浮颗粒物垂直分布类型：自表层至底层悬浮颗粒物浓度递增型(Ⅰ型)和自表层至底层悬浮颗粒物浓度递减型(D型)。测量结果以表层悬浮颗粒物浓度为基准，做归一化处理。

1.3 辐射传输模拟

本研究利用Hydrolight软件进行辐射传输模拟[16]，水体组分主要考虑矿物质与岩屑以及黄色物质(CDOM)，因此固有光学量参数化模型可以表示为

a(λ,z)=aw(λ)+ap(λ,z)+ag(λ,z)，

(1)

b(λ,z)=bw(λ)+bp(λ,z)，

(2)

其中a(λ，z)为水体总吸收系数，aw(λ)为纯水吸收系数，ap(λ，z)为悬浮颗粒物吸收系数，ag(λ，z)为黄色物质吸收系数；b(λ，z)为水体总散射系数，bw(λ)为纯水散射系数，bp(λ，z)为悬浮颗粒物散射系数，黄色物质的散射系数忽略不计。模型假定aw(λ)和bw(λ)不随深度而变化，仅为波长的函数；而ap(λ，z)、bp(λ，z)和ag(λ，z)在垂直剖面上非均匀分布，为波长与水深的函数:

(3)

(4)

ag(λ,z)=ag(λ0,z)exp [-S(λ-λ0)]=

[0.070×SPM(z)0.64]exp [-S(λ-λ0)]，

(5)

Hydrolight模拟中，散射相函数选择Fournier-Forand模型，悬浮颗粒物的后向散射概率取0.025，大气模式选择Radtran模型，平均风速5 m/s，太阳高度角30°，水深为无限深[14]。输出波长范围设置为300～900 nm，间隔10 nm。表层悬浮颗粒物浓度(SPM1)在0.5～50.0 mg/L之间变化。由于水体深度也会对水下光场产生影响，因此本研究依据鄱阳湖实测数据设置了4个水深区间：0.1～1.0 m(增量0.1 m)，1.0～5.0 m(增量0.5 m)，5～10 m(增量1 m)，10～20 m(增量5 m)。由于SPM1较大时光线的穿透能力有限，因此不同SPM1模拟的深度区间数量不同。此外，本研究模拟了SPM1为0.5～50.0 mg/L的9组垂直均匀分布水体的光学特性，作为后续分析中非均质水体的参考标准。

2 结果与分析

2.1 垂直分布对遥感反射率的影响

图2为悬浮颗粒物浓度递增型水体垂直分布(Ⅰ型)和递减型水体垂直分布(D型)的遥感反射率随水体深度的变化情况，图中黑色实线代表均质水体遥感反射率，图中彩线从蓝色至红色的变化方向为水深(z)递增的方向。第1，3列为遥感反射率(Rrs)，第2，4列为非均匀水体与均质水体之间遥感反射率的百分比误差(ΔRrs)。

与均质水体相比，Ⅰ型水体垂直分布使Rrs在各个波段被高估，特别是当SPM1较小且水深较浅时ΔRrs较大，而随着水深的增大，ΔRrs逐渐减小并趋近于0。例如SPM1为1 mg/L时，ΔRrs从0.1 m时的+108.2%减小到20 m时的接近于0(图2d)。从整个光谱范围来看，随着悬浮颗粒物浓度的增大，Ⅰ型水体垂直分布下Rrs的主要影响波段范围逐渐向长波方向移动。如图2a～c所示，SPM1=1 mg/L时，水体垂直分布的主要影响波段为500～700 nm；当SPM1=10 mg/L时，主要影响波段为650～800 nm；当SPM1=50 mg/L时，主要影响波段长于700 nm，且400～700 nm不同水深对应的ΔRrs无明显变化(≤18%)。D型水体垂直分布使Rrs在各波段被低估，最多可低估30%左右(图2l)。与Ⅰ型相似，随着水深的增大，水体垂直分布对Rrs的影响逐渐减弱；随着SPM1的增大，水体垂直分布的主要影响波段逐渐向红光波段移动。

(a)～(f) are typeⅠ,(g)～(l) are type D

图2 水体垂直分布模拟结果

Fig.2 Radiative transfer simulation results for vertical profile

2.2 敏感波长

在不同悬浮颗粒物浓度、不同水深条件下使得|ΔRrs(λ)|最大的波长，可视为对于Rrs变化最为敏感的波长(λmax)。如图3所示，当悬浮颗粒物浓度较小时(例如≤20 mg/L)，两种水体垂直分布基本遵循相似的变化规律：在相同浓度条件下，λmax随着水深的增加逐渐减小；同一深度时，λmax随着SPM1的增大逐渐向长波方向移动。由此可知，对于水深在1～10 m并且SPM1≤20 mg/L的非均质水体(适用于大部分内陆湖泊水体)，水体垂直分布的主要影响波段范围为580～710 nm。因此，在建立遥感反演模型时，如能避开以上波段范围可以有效减小由于水体垂直不均匀分布所引起的遥感反射率误差。而当SPM1较大时(例如50 mg/L)，λmax主要集中于750～900 nm，且随水深增大没有明显变化。

图3 敏感波长与水深散点图

Fig.3 Sensitive wavelength vs water depth

2.3 最大影响深度

依据Stramska等[6]的研究成果，本研究选择5%作为判定ΔRrs明显变化的标准。由前文分析可知，Ⅰ型和D型水体垂直分布的ΔRrs随水深增大呈单调递减，因此最大影响水深(zmax)应满足z≥zmax时，|ΔRrs(λ)|<5%；z

图4 最大影响水深与波长

Fig.4 Maximum influence water depth vs wavelength

由2.1节的分析可知，当悬浮颗粒物浓度很大时，遥感反射率对水深和波长的变化并不敏感，如图2f和2l所示，多条光谱曲线近乎重合，该现象直接导致较大浓度时zmax随波段无明显变化。这可能是由于利用Hydrolight进行水体辐射传输模拟时，整个水柱上的悬浮颗粒物浓度随水深增大而迅速增加且总和巨大，各波段、各水深的模拟结果十分接近，导致后续分析中出现遥感反射率对水深和波长不敏感。下一步研究将改进参数设置，以期得到更为合理的模拟结果。

(6)

(λ-443))。

(7)

由图5可知，对于Ⅰ型和D型水体垂直分布，随着c1的增大，zmax在445 nm、555 nm、665 nm和710 nm 4个波段基本呈递减趋势。其中红光波段(图5d)递减趋势最弱，zmax分布相对集中。造成上述现象的原因与前文讨论的表层悬浮物浓度较高时zmax的异常分布类似。

图5 最大影响水深与表层水体衰减系数

Fig.5 Maximum influence water depth vs attenuation coefficient of surface water

3 结论

本研究以鄱阳湖实测数据为输入条件，利用辐射传输模拟结果研究了两种典型水体垂直分布类型对水表面遥感反射率的影响，得到以下结论：

与均质水体相比，两种不同的水体垂直分布最多会引起遥感反射率100%的高估或者30%的低估，其中Ⅰ型水体垂直分布使得遥感反射率在全波段被高估，而D型则导致遥感反射率被低估，误差均随着水深的增大而减小。

两种类型水体垂直分布的敏感波长变化规律相似：当SPM1较小(如≤20 mg/L)，水深在1～10 m时，敏感波长主要集中于580～710 nm，在相同浓度条件下敏感波长随着水深增大逐渐减小；在同一深度时，敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波方向移动；当SPM1较大时(例如50 mg/L)，敏感波长主要集中于750～900 nm，且随水深增大没有明显变化。

两种类型水体在SPM1较低时，各波段的最大影响水深各不相同，可达10 m，并随表层悬浮颗粒物浓度的增大而逐渐减小，峰值波长逐渐向长波方向移动；当SPM1较大时，最大影响水深集中于0.5～2.0 m，随波段递增无明显变化规律。随着表层水体的衰减系数的增大，最大影响水深在445 nm、555 nm、665 nm和710 nm 4个波段基本呈递减趋势。

本研究结果有助于准确理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息，同时为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。

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(责任编辑：陆 雁)

Effects of Nonuniform Vertical Profile of Suspended Particulate Matter on Water Optical Properties

HUANG Jue1,3，YANG Fanlin1，CHEN Liqiong2，CHEN Xiaoling2，JIANG Tao1

(1.College of Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong，266590，China；2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing (LIESMARS)，Wuhan University，Wuhan，Hubei，430079，China；3.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinfomation，Qingdao，Shandong，266590，China)

【Objective】The influence exerted by nonuniform vertical profile of suspended particulate matter on remote-sensing reflectance was studied for a typical inland lake.The major sensitive wavelengths and maximum influence water depths were discussed.【Methods】The in situ data and forward radiative transfer model were applied to simulated two typical vertical distributions of water column.The sensitivity of remote sensing reflectance(Rrs) associated with stratified water column showed correlation with suspended particulate matter (SPM),sensitive wavelength and maximum influence water depth.【Results】Compared to vertical uniformed water column,different vertically stratified types could cause more than 100% overestimation or 30% underestimation of Rrsat most and the error decreased with the increase of water depth.When the concentration of surface SPM (SPM1) was small,the sensitive wavelengths of different water profiles decreased with increasing water depth under the same SPM1.For the same water depth,the sensitive wavelengths moved towards the longer wavebands with increasing SPM1.When SPM1was large,no obvious correlation between water depth and sensitive wavelength was observed.The maximum influence water depths for different vertical profiles varied and could reach up to 10 m when the water was clear.With the increased SPM1,the maximum influence water depths decreased and sensitive wavelengths moved towards the longer wavebands.In contrast,the maximum influence water depths centered on 0.5～2.0 m and showed no pronounced tendency when the water was turbid.In addition,the increasing attenuation coefficient of surface water usually led to a decreasing maximum influence water depth.【Conclusion】The results will improve our understanding of the vertical structure information obtained from surface remote sensing reflectance.

water vertical distribution，remote sensing reflectance，sensitive wave length，maximum influence water depth

2016-07-27

黄 珏(1987-)，女，博士，博士后，主要从事水环境定量遥感研究。

*山东省自然科学基金项目(ZR2016DB23)，国家自然科学基金项目(41471331)，海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室项目(2015B06)和青岛市博士后研究人员应用研究项目(2015206)资助。

http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1206.G3.20161230.0934.006.html

TP79

A

1005-9164(2016)06-0507-06

**通信作者：江 涛(1961-)，男，博士，教授，主要从事资源与环境遥感、遥感数字图像处理等方面的研究，E-mail：tjiang@126.com。

广西科学Guangxi Sciences 2016,23(6):507～512

网络优先数字出版时间：2016-12-30 【DOI】10.13656/j.cnki.gxkx.20161230.003